CN109799782A - 工具机无线温度感测热误差补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种工具机无线温度感测热误差补偿系统，设置于一工具机上且与一控制器相连接，其设有至少一温度感测模块及一运算模块，该温度感测模块设有一温度测量单元及一数据传输单元，该温度测量单元设置于该工具机上且包含有一感测器及一温度微处理器，该数据传输单元与该温度测量单元相连接且设有一数据微处理器及一无线发送器，该运算模块与该温度感测模块及该工具机的控制器相连接，对于该温度感测模块所测量到的温度数据进行运算，该运算模块设有一无线接收器、一信号微处理器及一核心运算单元，该核心运算单元与该信号微处理器相电性连接，将该信号微处理器处理后的温度数据进行运算，提供一能减少热误差而提高加工精度的热误差补偿系统。

Description

工具机无线温度感测热误差补偿系统

技术领域

本发明涉及一种热误差补偿系统，尤指一种能减少热误差而提高加工精度的工具机无线温度感测热误差补偿系统。

背景技术

随着科技的日新月异及蓬勃发展，使产品零组件趋向精密化及微小化，促使机械制造业对于加工精度极为重视；现有工具机在加工过程中，受到不同热源所产生不同热量的影响下，使得工具机结构的温度变化产生了非均匀性的变形，工具机各组件发生热变形后，会改变工具机原始加工路径的设定，进而产生加工误差，相对会降低产品的精度品质；所以如何降低温度变化造成的影响，进而提高产品精度，目前有关工具机温升热变形的研究已成为重要议题。

关于影响工具机加工精度的主要误差来源，在于切削期间因主轴温度上升，使得结构变形而产生热误差，进一步，在高温、寒冷环境或无空调室温的影响下，也会让工具机产生热误差；因此，现有工具机产生热误差大致可分为内部热源以及外部热源两大类，内部热源主要包含有切削热及摩擦热，而外部热源主要包含有环境温度和辐射热；现有电脑化数值控制(Computer Numerical Control；CNC)工具机的热补偿技术大多是采用有线的温度感测器撷取机台温度，并通过补偿卡计算补偿量进行热补偿，但此种方式不仅会相对增加工具机的成本，且会因机台的结构、材料、加工条件等因素所影响，不容易控制降低由热温升变形所引起的加工误差，加上线路的设置及调整，相对增加使用上的不便及干涉情形，因此，如何改善工具机因热误差所产生的影响，实为目前业界亟需改进之处。

发明内容

因此，本发明人有鉴于现有工具机经由检测内部热源所产生的热误差进行热补偿，藉以减少由热温升变形所引起的加工误差，但此种方式不仅会相对增加工具机的成本，且会因机台结构、材料、加工条件等因素所影响，且因线路的设置及调整，相对增加使用上的不便及干涉情形等的缺点及不足，特经过不断的研究与试验，终于发展出一种能改进现有缺失的本发明。

本发明是一种无线温度感测热误差补偿系统，其主要于工具机的外部安装至少一无线温度感测模块，对于工具机的温度进行即时监控，并在温度产生变化时，藉以对此热误差进行补偿，藉以提供一能减少热误差而提高加工精度的工具机环境温度影响的热补偿系统，有效解决前述的问题。

为达上述目的，本发明提供一种工具机无线温度感测热误差补偿系统，设置于一工具机上，用以对于该工具机的温度变化进行热误差补偿，该工具机设有一控制器，该工具机无线温度感测热误差补偿系统设有至少一温度感测模块及一运算模块，其中：

该至少一温度感测模块与该工具机相连接且设有一温度测量单元及一数据传输单元，该温度测量单元设置于该工具机上且包含有一感测器及一温度微处理器，该温度微处理器而与该感测器相电性连接，该数据传输单元与该温度测量单元相连接且设有一数据微处理器及一无线发送器，该数据微处理器与该温度微处理器相电性连接，该无线发送器与该数据微处理器相电性连接；以及

该运算模块与该至少一温度感测模块及该工具机的控制器相连接，对于该至少一温度感测模块所测量到的温度数据进行运算，该运算模块设有一无线接收器、一信号微处理器及一核心运算单元，该无线接收器用以接收该至少一温度感测模块所发送出的温度信号，该信号微处理器与该无线接收器相电性连接，该核心运算单元与该信号微处理器相电性连接，藉以将该信号微处理器处理后的温度数据进行运算。

进一步，该工具机无线温度感测热误差补偿系统进一步设有一监控模块，该监控模块与该运算模块相连接，藉以经由该运算模块取得该工具机的温度数据以及补偿数据。

再进一步，该监控模块能以无线上网方式，取得该运算模块的温度数据以及补偿数据，藉以得知该工具机的实际状况。

较佳的是，该至少一温度感测模块设有一电源供应器，该电源供应器与该温度测量单元的温度微处理器相电性连接，藉以提供温度测量单元及该数据传输单元所需的电力。

较佳的是，该温度测量单元于该感测器及该温度微处理器之间设有一放大器。

较佳的是，该数据微处理器与该温度微处理器之间是以一集成电路总线进行内部通讯使用，而该信号微处理器通过一万用串列总线而与该核心运算单元相连接。

较佳的是，该核心运算单元设有一温度误差补偿方程式，藉由该温度误差补偿方程式计算出补偿数据后，将该温补数学补偿数据传送至该工具机的控制器中，由该控制器进行温度补偿的功能。

较佳的是，该工具机无线温度感测热误差补偿系统于该工具机上设置有数个温度感测模块，该数个温度感测模块用以测量该工具机不同部位的温度，藉以提供该工具机完整的温度变化情形，并且该数个温度感测模块是通过一通讯模块进行信号的沟通。

较佳的是，该运算模块中的核心运算单元是使用一乙太网络的通讯方式，与该工具机进行沟通。

藉由上述的技术特征，本发明工具机无线温度感测热误差补偿系统，于使用时使用温度微处理器测量工具机的温度变化情况，将所测量到的温度数据应用该无线发送器的方式传送温度数据，由该无线接收器接收温度数据后，通过USB方式传输给该核心运算单元，通过该核心运算单元计算出温补数学补偿数据后，从该核心运算单元取得补偿数据后，经由Ethernet方式传输给该控制器，再由该控制器进行温度补偿的功能，且能使用手机连结该核心运算单元的Wi-Fi，取得温度数据与补偿数据的显示功能，进而提供一能减少热误差而提高加工精度的工具机无线温度感测热误差补偿系统。

附图说明

图1为本发明工具机无线温度感测热误差补偿系统架构的方块示意图。

图2为本发明工具机无线温度感测热误差补偿系统的温度感测模块的方块示意图。

图3为本发明工具机无线温度感测热误差补偿系统的运算模块与监控模块的方块示意图。

图4为本发明工具机无线温度感测热误差补偿系统具有多组温度感测模块的方块示意图。

图5为本发明工具机无线温度感测热误差补偿系统进行操作的方块流程示意图。

其中，附图标记：

10温度感测模块 11温度测量单元

12数据传输单元 13电源供应器

14感测器 15放大器

16温度微处理器 17数据微处理器

18无线发送器 20运算模块

21无线接收器 22信号微处理器

23核心运算单元 30监控模块

50工具机 51控制器

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

请配合参看如图1至3所示，本发明的工具机无线温度感测热误差补偿系统设置于一CNC工具机50上，用以对于该工具机的温度变化进行热误差补偿，其中该工具机是指能动力制造的机械装置，通常用于对金属进行精密切削加工，藉以生产其他机械构件或金属零件，且该工具机设有一控制器，较佳的是，该控制器51为一数值控制单元或者一可编程序控制器(Programmable Logic Controller；PLC)，本发明的工具机无线温度感测热误差补偿系统设有至少一温度感测模块10、一运算模块20及一监控模块30，其中：

该至少一温度感测模块10与该工具机50相连接且设有一温度测量单元11、一数据传输单元12及一电源供应器13，该温度测量单元11设置于该工具机50上且包含有一感测器14、一放大器15及一温度微处理器16，该温度微处理器16经该放大器15而与该感测器14相电性连接，藉以将该感测器14所测量到的温度数据，经该放大器15而传送至该温度微处理器16中，该数据传输单元12与该温度测量单元11相连接且设有一数据微处理器17及一无线发送器18，该数据微处理器17与该温度微处理器16相电性连接，藉以将该温度微处理器16处理后的温度数据，传送至该数据微处理器17中，该无线发送器18与该数据微处理器17相电性连接，能将该数据微处理器17处理后的温度信号传送至该无线发送器18中；较佳的是，该数据微处理器17与该温度微处理器16之间是以一集成电路总线(I²C Bus)进行内部通讯使用，该电源供应器13与该温度测量单元11的温度微处理器16相电性连接，藉以提供温度测量单元11及该数据传输单元12所需的电力。

该运算模块20与该至少一温度感测模块10及该工具机50的控制器51相连接，藉以对于该至少一温度感测模块10所测量到的温度数据进行运算，其中该运算模块20设有一无线接收器21、一信号微处理器22及一核心运算单元23，其中该无线接收器21用以接收该至少一温度感测模块10所发送出的温度信号，而该信号微处理器22与该无线接收器21相电性连接，对于该无线接收器21所接收的温度信号进行处理，该核心运算单元23与该信号微处理器22相电性连接，藉以将该信号微处理器22处理后的温度数据进行运算，较佳的是，该信号微处理器22通过一万用串列总线(Universal Serial Bus；USB)而与该核心运算单元23相连接，进一步，该核心运算单元23能为一工业电脑(Industrial Personal Computer；IPC)，且该核心运算单元23设有一温度误差补偿方程式：其中T_i为数个温度信号，系数a₀为回归系数，为一未知值，可通过最小平方法求得，系数bi为数个回归系数，为未知值，可通过最小平方法求得变数，ΔTi为通过数个温度感测器测量工具机结构铸件温度变化状况。

藉由该温度误差补偿方程式计算出补偿数据后，将该温补数学补偿数据传送至该工具机50的控制器51中，由该控制器51进行温度补偿的功能，进一步，如图4所示，本发明于该工具机50上设置有数个温度感测模块10，该数个温度感测模块10用以测量该工具机50不同部位的温度，藉以提供该工具机50完整的温度变化情形，并且该数个温度感测模块10是通过一通讯模块进行信号的沟通，较佳的是，该通讯模块为一NRF24L01，其中该NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM频段的信号收发芯片模块，再进一步，该信号微处理器17内建有NRF24L01，进而能采用一对多个的方式来对该数个温度感测模块10沟通，藉以提供一对多的沟通方式，取得每组温度感测模块10的温度数据再通过USB传输给核心运算单元23做处理，该运算模块30中的核心运算单元23是使用一乙太网络(Ethernet)的通讯方式，与该工具机50进行沟通，因此能可支持各厂牌的工具机50控制器系统，经由该工具机50的控制器51抓取Ethernet的补偿数据进行热误差的补偿方法，能即时预测出该工具机多轴的热变形情形，并进行热误差补偿达到加工精度的提升，较佳的是，该核心运算单元23具有可支持无线上网(Wireless Fidelity；Wi-Fi)的传输功能。

该监控模块30与该运算模块20相连接，藉以经由该运算模块20取得该工具机50的温度数据以及补偿数据，较佳的是，该监控模块30能以无线上网(Wireless Fidelity；Wi-Fi)方式，取得该运算模块20的温度数据以及补偿数据，藉以得知该工具机50的实际状况，较佳的是，该监控模块30能为一如手机(mobile phone)或平板电脑(Table PC)等的行动装置，且该行动装置能通过下载一流动应用程序(mobile application；APP)的方式，于该行动装置上即时监看工具机50的加工状态与温度呈现情形，也可查看当下的热误差补偿资讯。

本发明工具机无线温度感测热误差补偿系统于使用时，请配合参看如图5所示，由该运算模块20发出一测量温度的信息，经由该无线信号传输的方式，使该至少一温度感测模块10对于该工具机50进行温度测量及取得温度资讯，且该至少一温度感测模块10的温度微处理器16，通过OP-amp(热电偶感测IC的运算放大器)抓取K-type(为热电偶感测IC，温度量程自-200℃到+1200℃)的温度物理量数据，该温度微处理器16计算温度数据后，通过本系统的传输架构模块通讯模块(NRF24L01)作为数据传输的用途，在本系统无线感测温度模块是由一个专门测量温度的温度微处理器16并搭配另一个数据传输的数据微处理器17，两微处理器16、17在内部通讯使用I²C作为沟通方式，在无线温度感测模块的通讯技术为NRF24L01通讯模块，能作为后续数个温度感测模块10的沟通技术，取得每组温度感测模块10的温度数据，再通过USB传输给该核心运算单元23做处理，该核心运算单元23对于取得的温度数据，通过该温度误差补偿方程式计算出温度补偿数据，可即时预测工具机50多轴的热变形情况，并进行热误差补偿达到加工精度的提升，并且使用Ethernet通讯方式来对工具机50沟通，因此能支持各厂牌的工具机50控制器系统，经由工具机50的控制器51抓取Ethernet的补偿数据进行热误差的补偿方法，并可提升工具机50的加工性，且于该核心运算单元23能支持Wi-Fi传输的技术，能让使用者经由手机APP即时监看工具机50的加工状态与温度呈现情形，也可查看当下的热误差补偿资讯。

藉由上述的技术特征，本发明工具机无线温度感测热误差补偿系统，于使用时使用温度微处理器16测量工具机50的温度变化情况，将所测量到的温度数据应用该无线发送器18的方式传送温度数据，由该无线接收器21接收温度数据后，通过USB方式传输给该核心运算单元23，通过该核心运算单元23计算出温补数学补偿数据后，从该核心运算单元23取得补偿数据后，经由Ethernet方式传输给该控制器51，再由该控制器51进行温度补偿的功能，且能使用手机连结该核心运算单元23的Wi-Fi，取得温度数据与补偿数据的显示功能，进而提供一能减少热误差而提高加工精度的工具机无线温度感测热误差补偿系统。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于：设置于一工具机上，用以对于该工具机的温度变化进行热误差补偿，该工具机设有一控制器，该工具机无线温度感测热误差补偿系统设有至少一温度感测模块及一运算模块，其中：

该至少一温度感测模块与该工具机相连接且设有一温度测量单元及一数据传输单元，该温度测量单元设置于该工具机上且包含有一感测器及一温度微处理器，该温度微处理器而与该感测器相电性连接，该数据传输单元与该温度测量单元相连接且设有一数据微处理器及一无线发送器，该数据微处理器与该温度微处理器相电性连接，该无线发送器与该数据微处理器相电性连接；以及

该运算模块与该至少一温度感测模块及该工具机的控制器相连接，对于该至少一温度感测模块所测量到的温度数据进行运算，该运算模块设有一无线接收器、一信号微处理器及一核心运算单元，该无线接收器用以接收该至少一温度感测模块所发送出的温度信号，该信号微处理器与该无线接收器相电性连接，该核心运算单元与该信号微处理器相电性连接，藉以将该信号微处理器处理后的温度数据进行运算。

2.根据权利要求1所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该工具机无线温度感测热误差补偿系统进一步设有一监控模块，该监控模块与该运算模块相连接，藉以经由该运算模块取得该工具机的温度数据以及补偿数据。

3.根据权利要求2所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该监控模块能以无线上网方式，取得该运算模块的温度数据以及补偿数据，藉以得知该工具机的实际状况。

4.根据权利要求3所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该至少一温度感测模块设有一电源供应器，该电源供应器与该温度测量单元的温度微处理器相电性连接，藉以提供温度测量单元及该数据传输单元所需的电力。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该温度测量单元于该感测器及该温度微处理器之间设有一放大器。

6.根据权利要求5所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该数据微处理器与该温度微处理器之间是以一集成电路总线进行内部通讯使用，而该信号微处理器通过一万用串列总线而与该核心运算单元相连接。

7.根据权利要求6所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该核心运算单元设有一温度误差补偿方程式，藉由该温度误差补偿方程式计算出补偿数据后，将该温补数学补偿数据传送至该工具机的控制器中，由该控制器进行温度补偿的功能。

8.根据权利要求7所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该工具机无线温度感测热误差补偿系统于该工具机上设置有数个温度感测模块，该数个温度感测模块用以测量该工具机不同部位的温度，藉以提供该工具机完整的温度变化情形，并且该数个温度感测模块是通过一通讯模块进行信号的沟通。

9.根据权利要求8所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该运算模块中的核心运算单元是使用一乙太网络的通讯方式，与该工具机进行沟通。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的工具机无线温度感测热误差补偿系统，其特征在于，该工具机无线温度感测热误差补偿系统于该工具机上设置有数个温度感测模块，该数个温度感测模块用以测量该工具机不同部位的温度，藉以提供该工具机完整的温度变化情形，并且该数个温度感测模块是通过一通讯模块进行信号的沟通。